導電性ナノ粒子によりフォノン散乱と導電性を同時に増強した酸化物熱電材料の開発
| Project/Area Number |
23K23047
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| Project/Area Number (Other) |
22H01779 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大瀧 倫卓 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (50223847)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
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| Keywords | ナノコンポジット構造 / 微粒子分散 / 金属窒化物 / 金属ナノ粒子 / 導電パス形成 / 酸化物熱電変換材料 / 自己形成ナノ構造 / 拡散防止材 / 窒化物 / ヘテロ界面 / 溶離析出 / 放電プラズマ焼結 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、熱を電力に変換する熱電変換材料において、無駄な熱流束を低減するために広く用いられているナノ構造化という手法に関して、①物性値の単純な体積分率荷重平均では説明できないナノサイズ領域の粒子分散構造による、フォノン散乱と導電性の同時増強、②800℃以上の高温でもナノサイズの微細構造を消失しない熱力学的安定性や優れた耐熱性、③ナノ異相（ヘテロ）界面における選択的フォノン・電子散乱を、本来的に耐熱性が高く高温での応用が期待されているSrTiO3やZnOなどの酸化物系熱電変換材料で実現することにより、画期的・独創的な高性能酸化物熱電材料を開発するものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度である2022年度は、易還元性金属種を含む金属酸化物から高温還元条件下で金属ナノ粒子が還元析出する溶離現象を利用して、高温で自発的に形成されるナノ構造の構築を検討した。Niを溶離金属としてあらかじめ固溶したNbドープSrTiO3を種々の還元条件で処理し、溶離析出するNiナノ粒子の量や粒径の制御を検討すると共に、導電率、ゼーベック係数、熱伝導率、無次元性能指数ZTを測定して、高温条件でのナノ構造の変化とその影響を評価した。Niはペロブスカイト型構造のBサイトに部分置換する形で固溶させるため、その溶離析出によってBサイト欠損が生じ、Aサイト元素であるSrが過剰となる。このため、あらかじめAサイトのSrを若干欠損させておくことにより、Niナノ粒子の析出が促進される現象を見出した。
また、酸化物の粒界に、融点が2000°Cを超す導電性窒化物であるTiNやZrNなどの導電性窒化物を拡散防止材として導入することにより、800~1000 °C以上の高温においても物質の相互拡散が生じず、粒成長が抑制され、高温条件下でのナノ構造消失およびこれによる熱電性能低下を防止できる可能性を検討した。放電プラズマ焼結(SPS)およびホットプレス焼結(HP)により、ナノ構造を保持した短時間焼結を行ってナノコンポジット試料を合成し、その微細構造をSEM/EBSDやSEM/EDSにより観察し、熱電特性を評価した。窒化物ナノ粒子の分散状態がナノコンポジット構造に大きく影響するため、遊星型ボールミルなどによる高効率湿式粉砕混合を検討している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
COVID-19による様々な研究上の制約はまだ大きく、研究協力者である大学院生の活動状況もCOVID-19以前にはいまだ戻っていないが、当初の目的とした検討項目はおおむね順調に進行している。ただし学会発表や論文公表には遅れが見られる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策には、現時点で当初計画から大きな変更点はない。
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Report
(1 results)
Research Products
(8 results)
